浦東機(jī)場(chǎng)T3航站樓基坑圍護(hù)中WSP技術(shù)的可行性研究

張 弛

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

1 工程概述

浦東機(jī)場(chǎng)T3航站樓上部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致基坑類型眾多且深度不一，如圖1a所示。浦東機(jī)場(chǎng)T3航站樓核心區(qū)深基坑挖深18.7 m～29.2 m，淺基坑挖深8.7 m～14.7 m，機(jī)場(chǎng)T3航站樓綜合體范圍內(nèi)總體開挖出土共計(jì)850萬m3，核心區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)總延長(zhǎng)達(dá)到10 km。核心區(qū)域基坑面積達(dá)到31萬m2，排水渠、設(shè)備用房和共同溝等基坑面積達(dá)到10萬m2。基坑開挖深度大，其中軌道交通開挖深度29.2m，值機(jī)大廳開挖深度約18.7m。

圖1 浦東機(jī)場(chǎng)T3航站樓

2 水文地質(zhì)與基坑圍護(hù)

2.1 水文地質(zhì)

經(jīng)初勘中間資料，場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層分布起伏較大。基底以下⑦、⑨、多層承壓含水層全部聯(lián)通，160 m鉆孔深度范圍內(nèi)無相對(duì)隔水層分布，無法隔斷。古河道區(qū)域分布有⑤2、⑤3-2層微承壓含水層透鏡體。本工程普遍區(qū)域滿足承壓水突涌穩(wěn)定的臨界開挖深度約為13 m，基坑面臨著嚴(yán)峻的承壓水問題。初勘鉆孔間距較大(150 m)，需要進(jìn)一步詳勘確定地層實(shí)際分布和水文地質(zhì)情況，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)工作開展。基坑開挖深度超過15 m，還需開展地面沉降的危險(xiǎn)性評(píng)估，如圖1所示。

2.2 基坑圍護(hù)

由于基坑開挖和防水的需要，可采用銑槽法施工。銑槽法是一種具有止水效果的大深度大厚度的地下連續(xù)墻體系，尤其適合于逆作法基坑部分[1]。逆作法中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常都是地下連續(xù)墻，以便兩墻合一，既作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又作地下室的外墻[2]。其作用有擋土、止水和承重結(jié)構(gòu)(根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否保留，分為永久結(jié)構(gòu)和可回收結(jié)構(gòu))。其中，臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)適合擬部分采用可回收的基坑圍護(hù)的WSP系統(tǒng)與技術(shù)，可回收的水平承載結(jié)構(gòu)可以是內(nèi)支撐體系，也可以是錨桿體系[3]。本文對(duì)該技術(shù)在T3航站樓建設(shè)中的可行性進(jìn)行研究。

3 WSP技術(shù)

3.1 概念

鋼管樁連續(xù)墻成套技術(shù)(wall made of steel pipe piles，WSP)是以大直徑鋼管樁為承載結(jié)構(gòu)，鄰樁套接擋土，沿鄰樁接縫設(shè)置止水空腔，充填止水空腔封堵接縫，可全回收再利用的高強(qiáng)無縫地下連續(xù)墻體。它是一種自立式的，可回收的圓形鋼薄管圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

成套工藝實(shí)現(xiàn)各種基坑圍護(hù)全回收再利用。由鋼管樁承擔(dān)水土壓力，截面大，鋼材省；相鄰樁套接阻擋樁間土，速度快，強(qiáng)度高；接縫設(shè)置多個(gè)止水空腔，雙保險(xiǎn)，易檢修；袋內(nèi)充水密封鄰樁接縫，可檢測(cè)，自修復(fù) ；微創(chuàng)法插拔施工鋼管樁，微擾動(dòng)，不帶土。

圖2 WSP鋼管樁與止水連接部位的

3.2 成樁工藝

在WSP的成套工藝中，需要根據(jù)土質(zhì)和周邊環(huán)境等要求，采取合適的施工工藝。概括為以下四種方式：

靜壓法沉樁，利用靜壓樁機(jī)將WSP子母管逐根套接壓入土體；優(yōu)點(diǎn)是在施工過程中無噪音，無振動(dòng)；速度快，造價(jià)低；適用于各種周邊環(huán)境和地層條件。

振動(dòng)法沉樁，利用振動(dòng)錘的高頻振動(dòng)，大幅度消減樁土間的摩擦力，利用振動(dòng)錘的沖擊力將WSP子母管逐根套接插入土體。施工設(shè)備簡(jiǎn)單，速度快，造價(jià)低。

自鉆進(jìn)沉樁，利用WSP樁本身兼作樁架，通過安裝在樁底的鉆頭鉆進(jìn)成孔，以子母管的正反鉆進(jìn)消除轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，將WSP樁子母管成套對(duì)接沉入土體。操作簡(jiǎn)單，無擾動(dòng)，無噪音。

導(dǎo)向法沉樁，利用在先施工中的WSP樁兼作導(dǎo)軌，控制下一根臨樁鉆孔的施工方向，可以確保臨樁嚴(yán)格平行，在深遠(yuǎn)土體中不開叉。操作簡(jiǎn)單，無擾動(dòng)，無噪音。

3.3 適用范圍

全回收裝配式WSP深基坑圍護(hù)系統(tǒng)，適合在管廊工程、建筑工程、地鐵隧道的基坑圍護(hù)中，以及深層地下空間開發(fā)的擋土止水工程中。

圖3

4 技術(shù)特點(diǎn)分析

4.1 全回收再利用

“土塞補(bǔ)償法”拔樁實(shí)現(xiàn)微擾動(dòng)全回收再利用。其施工機(jī)械、拔樁壓土回填、樁間止水裝置以及靜壓沉樁插拔設(shè)備，如圖4所示。

圖4 WSP技術(shù)

4.2 樁縫封堵

WSP技術(shù)采用“以水止水”封堵樁縫，自檢測(cè)、自修復(fù)、有復(fù)腔雙重止水保障，可配合沿樁縫壓灌聚氨酯、雙液注漿等針對(duì)性應(yīng)急措施。

4.3 精準(zhǔn)壓拔

成套的WSP施工技術(shù)中，在插拔鋼管樁工藝中，根據(jù)各類土層、各類環(huán)境，以及各類深度，分別采用靜壓法插拔(見圖4d)、振動(dòng)法插拔、自鉆進(jìn)沉樁、導(dǎo)向法沉樁。

4.4 獨(dú)特圍護(hù)

成套的WSP秉承“深度基坑無大面積內(nèi)支撐、立柱、棧橋”的設(shè)計(jì)理念。一般采用的特殊圍護(hù)形式有：①半放坡圍護(hù)；②雙排樁環(huán)島圍護(hù)；③鋼墻內(nèi)支撐圍護(hù)。

圖5 圍護(hù)示意圖

半放坡圍護(hù)特點(diǎn)是上部放坡，下部采用懸臂式的WSP圍護(hù)。優(yōu)點(diǎn)是坑內(nèi)無支撐，挖土便利快速；圍護(hù)體系全回收，造價(jià)經(jīng)濟(jì)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)無需養(yǎng)護(hù)，工期短。適用于地下一層以及不太深的基坑圍護(hù)。

雙排樁環(huán)島圍護(hù)的特點(diǎn)是上部放坡，基坑外側(cè)WSP圍護(hù)，中心島鋼管樁圍護(hù)，內(nèi)外排圍護(hù)之間形成溝槽基坑。優(yōu)點(diǎn)坑內(nèi)無支撐，挖土便利快速；圍護(hù)體系全回收，造價(jià)經(jīng)濟(jì)；適用各種環(huán)境條件、各種挖深、面積較大基坑。

鋼墻內(nèi)支撐圍護(hù)的特點(diǎn)是WSP圍護(hù)，內(nèi)支撐水平承載。優(yōu)點(diǎn)是圍護(hù)體系全回收，造價(jià)經(jīng)濟(jì)；裝配式圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工速度快，無需養(yǎng)護(hù)，工期短；適用于各種環(huán)境條件、各種挖深、狹長(zhǎng)形基坑。

4.5 止水高效

安全保障體系主要有如下四點(diǎn)要求，完善的安全保障體系確保受力構(gòu)件安全可靠，止水效果佳，施工過程簡(jiǎn)單易控。

(1)計(jì)算依據(jù)成熟完整；

(2)所有構(gòu)件工廠預(yù)制；

(3)現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝；

(4)止水雙重保障，自檢測(cè)，自修復(fù)。

4.6 環(huán)境友好

傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工現(xiàn)場(chǎng)不易管理，泥漿橫流；鋼管樁連續(xù)墻施工現(xiàn)場(chǎng)，干凈整潔，低碳環(huán)保，循環(huán)經(jīng)濟(jì)，可實(shí)現(xiàn)全回收再利用，如圖6所示。

圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)圖

5 應(yīng)用可行性分析

在開挖深度5 m以下有止水要求的基坑中，可采用拉森鋼板樁，尤其適合在前期工程中的道路和東繞水渠施工段中。拉森鋼板樁在深度和止水要求沒那么高的臨時(shí)基坑圍護(hù)工程中經(jīng)濟(jì)合理且施工效率高[4]。雙層鋼板樁內(nèi)，宜使用一些臨時(shí)木支撐或鋼支撐，方便循環(huán)利用，避免使用混凝土支撐。其它形式的鋼支撐應(yīng)盡量避免使用工字鋼，盡管在反復(fù)壓拔過程中，工字鋼變形小。但因?yàn)楣ぷ咒摰闹顾B接處帶土較多，對(duì)土體影響較大，尤其在需要防水的軟土基坑中，對(duì)土體擾動(dòng)較大。在基坑挖深6～7 m，鋼板樁需要兩道撐；鋼管樁只需要一道撐。因此更適合采用WSP鋼管樁。WSP技術(shù)適合挖深5～16 m類型的較淺類基坑，但不宜在深度過大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用，避免拉拔的難度加大。適宜深度其實(shí)是根據(jù)目前可加工的單節(jié)鋼管長(zhǎng)度所決定的，理論上也可以雙節(jié)或多節(jié)拼接，但在目前加工工藝水準(zhǔn)基礎(chǔ)上不推薦雙節(jié)或多節(jié)拼接，以保證鋼管整體性良好。在不適宜做支撐的基坑部位，可設(shè)計(jì)成圓形無支撐的WSP圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系[5]。永久深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，宜采用傳統(tǒng)的鉆孔灌注排樁等工藝。

6 經(jīng)濟(jì)與工期分析

6.1 經(jīng)濟(jì)性分析

通過經(jīng)濟(jì)性分析，WSP技術(shù)與現(xiàn)有圍護(hù)樁(墻)的造價(jià)對(duì)比分析如下：

(1)較重力壩、SMW工法樁節(jié)約造價(jià)約15%～25%；

(2)較鉆孔灌注樁可節(jié)約造價(jià)約25%～40%；

(3)較地下連續(xù)墻可節(jié)約造價(jià)約35%～55%。

6.2 工期對(duì)比分析

現(xiàn)有的圍護(hù)樁墻結(jié)構(gòu)與WSP結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工工期的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

(1)WSP可以和工程樁交叉同時(shí)施工，互不影響(節(jié)省0.5～1個(gè)月)；

(2)WSP施工速度快(節(jié)省1～1.5個(gè)月)，無需養(yǎng)護(hù)(節(jié)省1個(gè)月)；

(3)地下兩層或多層地下室采用“雙排樁環(huán)島”圍護(hù)時(shí)，無需設(shè)置大面積的鋼筋混凝土內(nèi)支撐，挖土速度快(節(jié)省1.5～2個(gè)月)。一層地下室基坑圍護(hù)新技術(shù)方案能節(jié)約工期1.5～2個(gè)月；二層及以上地下室能節(jié)約工期近3～4個(gè)月。

7 總結(jié)與展望

鋼管樁連續(xù)墻(WSP)深基坑圍護(hù)系統(tǒng)與技術(shù)，以全新的設(shè)計(jì)理念為引導(dǎo)，依托于全新的WSP裝配式地下精細(xì)化建造與回收再利用成套技術(shù)及裝備，輔以完善的安全保障技術(shù)體系，最終全面實(shí)現(xiàn)各種地質(zhì)條件下、任意挖深、各種現(xiàn)實(shí)周邊環(huán)境條件下的深基坑圍護(hù)全回收再利用。相比于鋼圍堰，止水措施更為科學(xué)合理，效果更佳；相比于傳統(tǒng)混凝土灌注樁的樁墻體系，可裝配可循環(huán)，環(huán)境友好，場(chǎng)地清潔干凈，對(duì)土體擾動(dòng)小，且經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

此外，較現(xiàn)有混凝土旋噴灌注樁等樁墻技術(shù)，可節(jié)約工程造價(jià)20%以上，成為除放坡之 外最為經(jīng)濟(jì)的基坑圍護(hù)形式；地下1層，節(jié)省關(guān)鍵路線上工期1.5～2個(gè)月，地下二層或多層，節(jié)約工期3～4個(gè)月。